248

Работа в одном из исследовательских институтов России

По традиции коротко о себе: работаю в Технологическом институте Карлсруэ, в области материаловедения. Предыдущие посты про науку: 1. Российская и немецкая наука с моей точки зрения, 2. Немецкая и российская наука с моей точки зрения (Дополнение).


Сегодня я постараюсь как можно проще рассказать о том, чем я занимался (и продолжаю заниматься) в одном из исследовательских институтов РАН. Резерфорду приписывают слова о том, что если учёный не может объяснить уборщице, которая убирается у него в лаборатории, смысл своей работы, то он сам не понимает, что он делает. Надеюсь, я понимаю, чем занимаюсь, и постараюсь доступно рассказать о своей работе.


В отличии от математики или чистой физики в материаловедении процесс изучения ведется, как правило, группой ученых. Постановка цели и задач исследования, выдвижение новых идей, гипотез, а также предварительное моделирование представляют важную часть работы. Но материаловедение - наука материальная, я бы сказал, основа научного материализма. Практическое исследование или эксперимент являются главными критериями истины, как это считали Гегель, затем Маркс и Ленин. Именно проведение эксперимента в материаловедении занимает большую часть времени и требует максимальных усилий. Многое приходится делать руками, некоторые разрабатывают собственную методику, изготавливают новое экспериментальное оборудование.


Лично я в исследовательском институте РАН занимался и занимаюсь изучением большого круга различных материалов. Я занимаюсь плавкой и изготовлением исходного материала, провожу деформационную и термическую обработку, занимаюсь микроструктурными исследованиями и изучением механических свойств. Большая часть моих работ посвящена сплавам и композитам на основе титана.


Почему титан? Титановые сплавы обладает высокой удельной прочностью. При температурах 200-550°С они по этому параметру опережают все металлы и сплавы. Что это значит? На самом деле прочность титановых сплавов совсем не рекордная. Грубо говоря, один квадратный миллиметр распространенного титанового сплава при растяжении выдерживает вес в 100 кг. Высокопрочные стали могут выдержать и 250 кг, тогда как обычная строительная сталь чуть больше 40 кг. Но благодаря низкой плотности (4,5 г/см3) титан выигрывает по удельной прочности. Именно этот параметр наиболее важен при снижении веса техники для специального применения, например, в авиации, спорте, ракетостроении.


Какие проблемы существуют в отношении титановых сплавов? Несмотря на высокую температуру плавления (около 1700°С) максимальная температура эксплуатации титановых сплавов составляет всего 550-600°С. Это очень мало. Например, никелевые сплавы плавятся при 1400-1500°С, а эксплуатироваться могут вплоть до 1100-1200°С. Высокая жаропрочность необходима в первую очередь при изготовлении деталей двигателя. Чем выше температура внутри любого двигателя, тем выше мощность и КПД. Резонный вопрос, почему бы не заменить весь титан никелем, если жаропрочность у него выше? Дело в том, что плотность никелевых сплавов составляет 8,5-9 г/см3. Полностью никелевый двигатель получится тяжелым, низкооборотистым и маломощным (что и было на заре двигателестроения). Чем выше обороты, тем большую нагрузку испытывают вращающиеся детали, тем более выгодным становится использование материалов с высокой удельной прочностью. В современных самолетах доля титана по массе составляет 14-20%, в военных до 40%.


Вторая важная проблема титановых сплавов - это их стоимость. Себестоимость одного килограмма титана в 50 раз выше, чем черной стали. К примеру, алюминий дороже стали в 4-5 раза, медь в 16, нержавеющая сталь в 10-11. Понятно, что при такой цене титан может использоваться только там, где он незаменим. Если бы удалось снизить стоимость титановых сплавов, использование этого металла стало бы возможным и в других областях.


В чем суть наших исследований? Разными путями мы пытаемся поднять жаропрочность, а значит и температуру эксплуатации жаропрочных титановых сплавов. Как это можно сделать? К сожалению, термическая и деформационная обработка для этого не подходят, т.к. при высоких температурах такое упрочнение не сохраняется. Можно несколько поиграться с химическим составом, однако это направление по большей части исчерпано, т.к. основные принципы легирования титана были обозначены еще в 70-х гг. Получается, что нет более другого способа повышения жаропрочности титанового сплава, кроме создания на основе титана композитов, упрочненных более жаропрочными материалами.


Чем можно упрочнить композит на основе титана? Желательно более прочными и жаропрочными соединениями, имеющими хорошую совместимость с титаном. Из всех известных материалов более всего для упрочнения подходят волокна моноборида титана, который к тому же может образовываться внутри титанового сплава (путем введения бора) при его изготовлении. По разным оценкам прочность волокна составляет 800 кг на квадратный миллиметр (т.е. в 8 раз больше, чем у распространенного титанового сплава). Еще одно достоинство моноборида титана в том, что с титаном он образует очень прочную связь, что предотвращает его вырывание из композита. На фото хаотично направленные иголки - это и есть волокна моноборида титана TiB.

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Какова основная цель нашей работы? Мы пытаемся создать такой композит на основе титана и моноборида титана, который по жаропрочности и балансу свойств существенно превосходил бы промышленные титановые сплавы. В таком случае такие композиты смогли бы частично заменить сталь и никелевые сплавы при изготовлении деталей газотурбинного двигателя.


Чем я непосредственно занимаюсь? Наглядно по картинкам постараюсь объяснить. Я изготавливаю композиты на основе разных промышленных титановых сплавов (ВТ1-0, ВТ6, ВТ8, ВТ18У, ВТ20Л, ВТ22, ВТ25У, Ортосплав), упрочненных различным количеством волокон TiB. Для этого готовлю исходный материал:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Плавлю в камере печи аргонно-дуговой плавки:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Получаю примерно такие слитки:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Поскольку в литом состоянии свойства титановых сплавов и композитов невысоки, далее мы проводим различную деформационную обработку слитков композитов на гидравлическом прессе. Получаем, например, такие заготовки:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Провожу термическую обработку, необходимую для получения оптимального баланса прочности и пластичности. Здесь происходит охлаждение на воздухе после 1050°С:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Далее заготовки разрезаем на микроструктурные исследования или механические испытания. На фото вырезаются плоские образцы для растяжения:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Внешний вид образцов для проведения различных механических испытаний: растяжение, длительная прочность, усталостные испытания, ударная вязкость.

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Каковы наши результаты? Исследования еще не закончены, но грубо говоря, жаропрочность удается повысить на 25-50°С. На самом деле это не мало, учитывая, что режимы обработки еще не оптимизированы. Прочностные свойства возрастают на 20-50%, пластичность удается сохранить выше 3-5%. Такую структура композита получаем после нашей деформационной и термической обработки. Видно, что волокна TiB удалось переориентировать вдоль одного направления:

Работа в одном из исследовательских институтов России Наука, Титан, Структура, Свойства, Композиты, Длиннопост

Каковы перспективы, кому все это может понадобиться? К сожалению, это больной вопрос в российской науке. Если бы заводы и промышленность работали в полную силу, то наши разработки были бы востребованными. Меня утешают, что мы не виноваты в сложившейся ситуации и повлиять на это никак не можем. Наши идеи, решения скорее полезны для всей науки в целом, и может быть, в будущем еще найдут применение. Далее планирую рассказать, что я изучаю в Германии.

Найдены возможные дубликаты

+14
А мы в титан эклектронным пучком стреляем - хотим из него источник позитронов для коллайдера сделать. Ну и после того, как уровень радиации от обстрелянной мишени в норму придет - пилю её, шлифую да зерна разглядываю. Но это у меня больше хобби, чем работа :)
Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 7
+10

Интересное хобби,  стрелять пучками электронными по титану=) специально хрен придумаешь=)

раскрыть ветку 4
+21

- Коллега, Вы титан уже обстреляли?

- Разумеется, коллега,

- И как?

- Всё пучком!

раскрыть ветку 1
+6
Звучит странно, но так и есть. Случайно познакомился с коллегами, занимающимися этой темой, и теперь иногда, в свободное от работы время, помогаю в этих исследованиях. А раз не платят - значит хобби, да и самому интересно.
раскрыть ветку 1
+3

Хорошее хобби, антиматериальное такое!

0

А потом начнете людей в джелименов превращать, отправляя в прошлое.

+15

Котики, сиськи и плавка титана. Пикабу уникален

раскрыть ветку 2
+6

*разваливается у самовара*


да тут вон слегка ниже специально обученные товарищи вапще из титана всякими пучками антиматерию добывают для кылайдыря


хобби у них такое!

+5

Я бы предложил более ритмичную формулировку:


"Коты-сиськи-сопромат!"


А теперь попробуйте енто забыть! 8))))

+6
Меня, наверное, побьют.. но половина моих знакомых реконов мечтает о титановых доспехах, а парочка даже имеет наручи и шлемак из титана. О цене умолчу, она там негуманнач даже по меркам самых отбитых реконов)

Это я так, к слову о высокотехнологичном применении.. )
раскрыть ветку 6
+6

Титан штука дорогая, но вполне подъёмная по цене. У меня сосед титановыми листами хотел крышу крыть 0_о

А цена титановых доспехов исходит из цены его обработки. Либо вакуумное литьё (дораха!), либо горячая штамповка (при штучном производстве - охуеть как дороха!).

Тс поправит если я не прав, я тот ещё, диванный литейщик.

раскрыть ветку 5
+2
Да, проблема именно в придании нужной формы. Если обычную ст3 можно обрабатывать чуть ли не у себя в комнате (было бы желание :-) ), то титан требует чуть другого подхода с неплохо так оборудованной мастерской.. ну и времени, конечно, тоже больше уходит.. поэтому итоговая, цена доспеха, особенно сложной формы (типа шлема, например) может доходить до цен подержанного автомобиля отечественного производства) по крайней мере в моем регионе так было..)
раскрыть ветку 3
+1
Литьём тонкие детали из титана не сделаешь. Только деформацией. Лично я бы по старинке делал с помощью молота и наковальни, т.к. матрицу для деформации сделать будет очень дорого. Титан где нужно можно без проблем сварить.
+4
Привет от химиков из Москвы и титана ВТ-6)
Иллюстрация к комментарию
раскрыть ветку 8
0

ВТ6 пишется без дефиса) Что с титаном делаете?

раскрыть ветку 7
0

Основная моя тематика это кластерные соединения вольфрама и молибдена (гетерополикислоты), но в частности проверяли способность титана реагировать с ними (практически все металлы способны замещать молибден в этой структуре восстанавливая его из +6 до +5, с образованием молибденовой сини). Чистый титан было сложно найти, так что сначала использовали ВТ6, там его ок 90% если не ошибаюсь

раскрыть ветку 6
+2
хоть я и не уборщица, но всё понял, всё доступно и понятно. Вопрос - а почему бы не делать деталь многослойной, добавить слой высокопрочной стали, или покрыть деталь никелем снаружи, для большей жаропрочности, тогда и температура эксплуатации может повыситься.
раскрыть ветку 3
+2

Я конечно не эксперт, но в голову сразу приходят мысли о разных коэффициентах температурного расширения материалов.

раскрыть ветку 2
+2
так в этом то и загвоздка, было бы всё так просто - все бы так делали. Просто хотел узнать у автора - проводились ли у них в институте подобные работы? (да я щпиён и работаю на мировую разведку и нет - свою зп я не озвучу :)
раскрыть ветку 1
+2
Привет экспериментаторам от теоретика. DFT, MD моделирование, занимался сталями.
+2

Спасибо за пост, очень интересно. Вопрос: можете ли что-нибудь сказать о действующих в таком композите механизмах пластической деформации, о влиянии кристаллографической текстуры на свойства композита, её изменении при деформации и термообработке? В принципе можно и ссылки на статьи если есть какие-то по этой теме.

раскрыть ветку 4
0

Начальную деформацию до текучести сдерживают волокна TiB, т.к. они прочно скреплены с матрицей. Далее матрица титановая начинает деформироваться, а волокна местами разрушаться. В работе мы получали оструя кристаллографическуя текстуру в титановой матрице и в относительно длинных волокнах TiB и размытую текстуру в композите с разробленными волокнами. При термообработке текстура не изменяется. Более подробно в работах: [1] (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092583881...), [2](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092150931...), [3](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S092150931...)

раскрыть ветку 3
0

Спасибо! Почитают.

0

оструяю кристаллографическуяю...

разДробленными

раскрыть ветку 1
+1

Уважаемый @Ergi, сам только что вернулся из KIT, где проходил стажировку в INT в северном кампусе. Вопрос такой - как у вас с немецким и где вы его учили, если учили?) Я суммарно 9 месяцев там провел, но мне полностью хватало англ языка) Вы там как PhD или как PostDoc?

раскрыть ветку 1
0

Здравствуйте, INT это наши соседи. Как Вас зовут? Имени будет достаточно, спрошу у ребят) С немецким у меня сложно, понимаю, но говорю тяжеловато. Я 2 месяца интенсивных курсов языка в Гамбурге проходил, но давно. У вас в INT все по-английски разговаривают, у нас в основном по-немецки. Я постдок.

+1

ВИАМ, "Сатурн", "Салют" как-то интересуются такими разработками?

раскрыть ветку 4
0

Мы конкуренты ВИАМа, там было сделано очень много в советское время. ВСМПО-Ависма заинтересовались и начали исследования по нашей теме.

0

Сатурн и Салют больше делают вид.

-6
вообще то да


давеча вот перед новым 2017 годом титановый интерметаллид пришлось драть.

Легированный лантаноидом.


Увлекательнейшее приключение было.

раскрыть ветку 1
0

Поясните, пожалуйста. Титановыми интерметаллидами я тоже занимаюсь.

ещё комментарии
0
Я такие гагарины точу для лаборатории, только без резьб. Так забавно их видеть в другом исполнении. https://youtu.be/LNASTgS1nXE
0

Здраствуйте! А Вы прослеживали связь между кристаллической структурой и механическими свойствами?

0
рыночно розничная стоимость стали 40р/ кг; нержавейки 200р/кг, алюминия 300р/кг; титана 1800р/кг
0

А этот ваш моноборид титана можно напылять PVD процессом?  Как он будет выглядеть в роли упрочняющего покрытия?

раскрыть ветку 1
+1

Можно, такие работы есть. Моноборид титана упрочняет поверхность и увеличивает износостойкость.

0

Материаловедение - основа основ. Советские калаши не были бы такими крутыми, если бы не специальные стали для дула и затвора. Я уверен в том, что есть очень много разработок, под которые просто нет материалов. В общем честь и хвала, успехов Вам.

раскрыть ветку 1
0

К сожалению, эти проблемы не озвучивают. Статьи на эту тему пишут очень редко. Такое ощущение, что в промышленности с материалами у нас все хорошо.

0

Занимался сталями - изучали термоциклирование. Интересно, приведет ли подобная обработка к росту волокон моноборида?

раскрыть ветку 1
0

С волокнами ничего не происходит вплоть до плавления из-за чрезвычайно низкой растворимости бора в твердом титане. Это еще один из плюсов системы Ti-B.

0
Познавательно, у вас очень хорошо получилось объяснить что к чему)
раскрыть ветку 1
0

Благодарю. Авось, кто заинтересуется.

0
Эх жалко великоваты волокна, а то можно было бы впарить аддитивщикам. Им сейчас неплохие средства выделяют, да и титан с повышенной жаропрочностью, учитывая разработку движков ПД14 и ПД35, им, я думаю, интересен будет.
раскрыть ветку 2
0

Аддитивной технологией тоже делают. Есть публикации. Волокна при изготовлении из порошков могут быть и очень мелкими. Порошок бора у нас имеется.

0

Уже поговаривают о ПД50.

-2
Очень познавательно, спасибо. Такой вопрос, если научное открытие, сделанное российским ученым на территории Германии будет официально зарегистрировано, новый продукт (изделие) запатентован - какие государства могут пользоваться результатами? Только Германия или весь остальной мир? Или например Германия как правообладатель пользуется результатами бесплатно, а прочие за денюжку?
раскрыть ветку 6
+5

Когда изобретение патентуется, указывается "Правообладатель" - он и распоряжается, кто, как и на каких условиях пользуется.

В случае российский НИИ, все, что придумано сотрудниками внутри стен института является собственностью института.

Т.е. если ты - российский ученый, тебя отправили в командировку в Германию "на измерения" и ты там сделал открытие, то везешь его домой и патентуешь дома, 100% правообладатель - твой родной институт, а тебе - спасибо, а денежное вознаграждение - это твой оклад.

Если ты поехал в Германию стажироваться, обучаться по Ph.D. программе и т.д., то есть на условиях принимающей стороны, то твои изобретения, думаю, будут принадлежать ей. Но каков будет твой личный процент "правообладания" (вознаграждения) я не знаю, вообще в договорах и соглашениях обычно такое прописывается, но с заграничными случаями не сталкивался.

раскрыть ветку 4
0
Большинство научных открытий вообще не патентуется. Наука и патенты - это немного разное.
раскрыть ветку 3
0

Это все делалось в России, в Германии у меня другая тема. И да, все разработки, сделанные в Германии, принадлежат немецкому исследовательскому институту.

-14
@moderator, просьба удалить пост.


коммерческая тайна разработчика.

раскрыть ветку 12
+4

В каком месте? Если бы приводились конкретные режимы термообработки, деформации и т.п. тогда да. А таких картинок можно сколько угодно на Researchgate найти.

+3

@moderator пожалуйста, не вздумайте - там и не пахнет коммерческой тайной

ещё комментарии
0

Все опубликовано в открытой печати после эксрпертной оценки. Патентовать, к сожалению, нечего. Можно, но поздно.

0

Раньше @Nevskiy69 в постах @Ergi, юродствовал, а теперь ещё и ты

-15

В целом пост намекает:


я в Германии на стажировке и возвращаться не собираюсь.


Поэтому я солью то, над чем работал в России и гори оно все синим пламенем.

Тут капуста и колбаса и пиво по 33 копейки.

раскрыть ветку 25
+8

Ахеренный слив, правда? Любой прочитавший пост теперь может пойти и наделать себе гору титан-моноборидтитанового композита.

ещё комментарии
+1
Не бомби, автор же сказал что в России эта разработка не востребована. Не хотят наши, получат немцы. Мы сами виноваты. Утечка мозгов, слышал про такое? У нас вместо пива за 33 копейки водка, гречка и первый канал.
ещё комментарии
0

Все это уже давно опубликовано в открытой печати. Без публикаций нам ФАНО денег не дает. Все статьи проходят экспертную оценку на возможность публикации.

ещё комментарии
Похожие посты
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: